Dobór materiału płytki PCB: wpływ właściwości substratu na działanie PCB

Altium Designer
|  Created: July 30, 2018  |  Updated: September 25, 2020

Circuit Board with flame resisant

Od początku XV wieku aż po XVII wiek artyści korzystali z metody flamandzkich mistrzów do tworzenia obrazów wiernie ukazujących rzeczywistość. Ten proces rozpoczyna się od wykonania rysunku ołówkiem, węglem lub piórem, po czym nakłada się imprimaturę — czyli pierwszą transparentną warstwę o zabarwieniu oliwkowym. Następnie jest pierwsza brązowawa podmalówka, wygładzanie, druga podmalówka, wygładzanie i podmalówka monochromatyczna.

Każda warstwa podmalówki skupia się na szczegółach i tonacji malowanych przedmiotów i wymaga dużej precyzji. Po nałożeniu tych warstw i dodatkowym wygładzaniu dla uzyskania gładkiej powierzchni artysta pokrywa całe płótno olejem i przechodzi do pierwszej i drugiej warstwy kolorów. Druga warstwa skupia się na szczegółach i teksturze. Dodatkowe czyszczenie przygotowuje grunt pod ostatnią warstwę koloru, która uwypukla najjaśniejsze części obrazu.

Projektanci PCB: inżynierowie układów i geniusze materiałowi

Płytki drukowane lub obwody drukowane w dużej mierze mają wspólne wymogi dotyczące miedzi oraz potrzebę przestrzeni na płytce. Jeśli przymierzasz się do rozpoczęcia projektowania lub jesteś doświadczonym projektantem, to znasz kluczowe problemy procesu projektowania: prowadzenie ścieżek w celu zagospodarowania miedzi, rozmieszczenie podzespołów dla zachowania integralności sygnału i zasilania, a także projektowanie obwodu, który rzeczywiście można wyprodukować, z myślą o maskach lutowniczych i obudowie. 

Skąd wiadomo, jak optymalizować projekty w oparciu o materiały?

Projektowanie płytek PCB wymaga tego samego podejścia, jakie stosowali „starzy mistrzowie”, gdy odtwarzali technikę malarzy flamandzkich. Artysta skupia się na końcowym produkcie, stale myśląc o najmniejszych szczegółach. „Podejście starych mistrzów” do projektowania PCB obejmuje lepsze zrozumienie części płytki oraz wpływ różnych właściwości substratów i przewodników na działanie układu. Na przykład powszechnie stosowane materiały substratu mogą pogarszać działanie PCB przy wysokich częstotliwościach.

Dobór materiału PCB: to, czego nie widać, ma znaczenie

Technika flamandzka kładzie silny nacisk na dobry podkład. Każda warstwa podmalówki dodawała głębi finalnemu dziełu. Pamiętając o podkładzie, należy lepiej rozumieć właściwości termiczne, elektryczne, chemiczne i mechaniczne substratu. Każda z tych właściwości, które zestawiono w pierwszej tabeli, może wchodzić w interakcje z pozostałymi i wpływać na działanie PCB, jednak na różne sposoby.

Tabela pierwsza – Właściwości substratu  

TERMICZNE

ELEKTRYCZNE

CHEMICZNE

MECHANICZNE

Temperatura zeszklenia (Tg)

 

Jednostka (°C)

 

Temperatura, przy której materiał substratu mięknie

Stała dielektryczna (Dk)

 

Pojemność elektryczna między dwoma przewodnikami na podłożu dielektrycznym w porównaniu do tych samych przewodników w próżni.

 

Palność

 

Właściwość plastiku zmniejszająca palność

Wytrzymałość na rozwarstwienie

 

Odzwierciedla siłę wiązania między dielektrycznymi i miedzianymi warstwami płytki PCB w warunkach narażenia na naprężenia termiczne, wysokie temperatury i środki chemiczne.

 

 

Temperatura rozkładu (Td)

 

Jednostka (°C)

 

Temperatura, przy której materiał substratu zaczyna tracić masę

Tangens stratności dielektrycznej (Df)

 

Wielkość strat (lub rozproszenia) energii ze względu na materiał; im niższa wartość Df, tym niższe straty energii

Absorpcja wilgoci

 

Zdolność materiału dielektrycznego do wytrzymania wpływu płynów przy zanurzeniu

 

 

Wytrzymałość na zginanie

 

Jednostka (funt na cal kwadratowy)

 

Zdolność dielektryka do absorbowania naprężeń fizycznych bez łamania się

 

 

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE)

 

Jednostka (części na milion - ppm)

 

Temperatura, przy której materiał substratu zaczyna się rozszerzać

Rezystywność skrośna

 

Jednostka (omometry)

 

Odporność materiału dielektrycznego na izolację lub prąd elektryczny

Odporność na chlorek metylenu

 

 

Mierzy odporność chemiczną materiału substratu PCB poprzez pomiar odporności na chlorek metylenu

Moduł Younga

 

Mierzy zdolność dielektryka do wytrzymania naprężeń ze wszystkich kierunków i określa współczynnik naprężenie-odkształcenie substratu

Przewodność cieplna (k)

 

Jednostka (waty na metr)

 

Zdolność materiału substratu do transferu ciepła

Rezystywność powierzchniowa

 

Odporność powierzchni materiału dielektrycznego na izolację i prąd elektryczny

 

Czas rozwarstwienia

 

Mierzy czas odporności materiału dielektryka na oddzielenie warstwy przy wystawieniu na temperatury przekraczające określoną wartość progową, szok termiczny lub wilgoć

 

 

 

Wytrzymałość elektryczna

 

Jednostka

 

Zdolność materiału dielektrycznego do zachowania odporności na wyładowania elektryczne

 

Gęstość

 

Jednostka (funt na cal sześcienny)

 

 

Dobranie materiału substratu wpływa na jakość działania obwodu. Na przykład znajomość CTE materiałów substratu nabiera szczególnego znaczenia, ponieważ brak dopasowania CTE dwóch materiałów substratu (lub nawet substratu i podzespołów) może prowadzić do wystąpienia problemów. W substratach o niedopasowanych CTE może dochodzić do usterek wskutek różnych prędkości rozszerzania lub utraty stabilności stałej dielektrycznej substratów. Podczas gdy niektóre podzespoły, takie jak silikonowe chipy pamięci, mają niski współczynnik CTE, laminaty z włókna szklanego charakteryzują się wysokimi wartościami CTE. Różne prędkości rozszerzania mogą prowadzić do pękania połączeń lutowanych lub uszkodzenia podzespołów.

To nie jest dobre połączenie

Artyści stosujący technikę flamandzką wybierają bardzo specyficzne kolory i typy pędzli, aby uzyskać optymalną tonację i głębię. Do błędów dochodzi, gdy artysta nie weźmie pod uwagę sposobu wzajemnego reagowania między olejami, lakierami i farbami. Dobieranie materiałów substratu wymaga takiego samego podejścia. Rozmaite czynniki mogą zmienić impedancję obwodów, zwłaszcza jeśli te obwody pracują z dużymi prędkościami lub wysokimi częstotliwościami. Przykładowo absorpcja wilgoci i przewodność cieplna mogą mieć wpływ na stałą dielektryczną. Płytki PCB z materiałami absorbującymi wilgoć lub podzespołami generującymi ciepło mają wyższą stałą elektryczną, co z kolei wpływa na działanie obwodu przy wysokich częstotliwościach.

Zmiany impedancji lub niedopasowanie impedancji mogą prowadzić do tego, że cyfrowe sygnały o dużej prędkości będą odbijać energię z powrotem do źródła sygnału. Zgodnie z tabelą drugą materiały substratu stosowane do obwodów o wysokiej częstotliwości muszą mieć stałą dielektryczną, która zachowa stabilność w szerokim zakresie częstotliwości. PTFE ma niską stałą dielektryczną, która nie zmienia się w zależności od częstotliwości. Ponieważ PTFE charakteryzuje się wysoką wartością CTE, trzeba zadbać o to, aby pozostałe materiały zastosowane w płytce PCB również miały wysoki współczynnik CTE.

Tabela druga – Właściwości substratu według typu

 

Typ

substratu

Temperatura zeszklenia

(°C)

Współczynnik rozszerzalności cieplnej

(X-Y)

Stała dielektryczna przy 1 MHz

Absorpcja wilgoci

(%)

Wytrzymałość

elektryczna

Wytrzymałość na rozwarstwienie

funt/cal

Zastosowania

Szkło epoksydowe

Rodzina FR-4

135–210

13–17

4,4–4,8

0,15

1000–3000

>2,0

Komputery i urządzenia peryferyjne, płyty typu backplane

Poliamid wzmacniany szkłem

250

12–16

4,0–4,6

0,35

 

>1,4

Urządzenia mobilne

Poliamid z piaskiem kwarcowym

250

6–8

3,5–3,8

0,35

 

>1,2

Układy MEMS,

 ogniwa słoneczne

Kompozyt epoksydowo aramidowy

180

7–9

3,8–4,1

0,44

 

>1,7

Awionika, ultracienkie telefony komórkowe

Żywica BT/epoksydowa

185

13–14

3,8–4,0

0,19

1200

>2,0

Mikroelektronika

PTFE

188

60

2,75–3,0

0,08

1090

>8,0

Układy RF/mikrofalowe

Inaczej niż PTFE, standardowy substrat FR-4 nie sprawdza się w obwodach o wysokiej częstotliwości. Ponadto stała dielektryczna FR-4 nie zachowuje stabilności przy zmianie temperatury. Jeśli zakres temperatur dla urządzenia wzrośnie, wahania staną się bardziej znaczące i spowodują zmianę impedancji. Dodatkowo mogą one również wpłynąć na zdolność do uzyskania i zachowania płaskiej charakterystyki przy wzroście częstotliwości.
CircuitStudio udostępnia wysokiej jakości rozwiązania ze spójnym, łatwym w obsłudze interfejsem, co pozwala szybko i precyzyjnie projektować płytki PCB niezależnie od materiału substratu, zmian temperatury czy wahań stałej dielektrycznej. Aby dowiedzieć się więcej o przygotowywaniu niezawodnych projektów oraz optymalizacji procesu doboru materiału PCB, porozmawiaj z ekspertem Altium.

 

About Author

About Author

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

most recent articles

Back to Home